阅读说明：本技术 一种风力发电机组变桨滑环的选型方法及装置 (Model selection method and device for variable-pitch slip ring of wind generating set ) 是由 耿丽红 高亚春 王朝东 谢金娟 武愈振 杨海锋 王建伟 石磊 李松博 于 2019-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种风力发电机组变桨滑环的选型方法及装置,包括：建立风机仿真模型,并按照风机设定运行工况进行仿真,获取风机变桨系统的时序载荷；根据风机变桨系统的时序载荷计算变桨电机的额定驱动扭矩和峰值驱动扭矩；根据变桨电机额定驱动扭矩、峰值驱动扭矩以及变桨电机的等效转速分别计算所有变桨电机所消耗的等效额定功率和等效峰值功率；根据所有变桨电机所消耗的等效额定功率和等效峰值功率,计算变桨滑环侧等效额定电流和峰值电流；并根据变桨滑环侧等效额定电流和峰值电流,选定变桨滑环。本发明可以实现变桨滑环的准确选型,有利于降低系统故障率,延长变桨滑环的使用寿命,保证了变桨系统安全可靠运行。(The invention relates to a model selection method and a device for a variable-pitch slip ring of a wind generating set, comprising the following steps of: establishing a fan simulation model, and simulating according to the set operation condition of the fan to obtain the time sequence load of a fan variable pitch system; calculating rated driving torque and peak driving torque of a variable pitch motor according to time sequence load of a variable pitch system of the fan; respectively calculating equivalent rated power and equivalent peak power consumed by all the variable pitch motors according to the rated driving torque, the peak driving torque and the equivalent rotating speed of the variable pitch motors; calculating equivalent rated current and peak current of the variable pitch slip ring side according to equivalent rated power and equivalent peak power consumed by all variable pitch motors; and selecting the variable-pitch slip ring according to the equivalent rated current and the peak current of the variable-pitch slip ring side. The invention can realize accurate type selection of the variable-pitch slip ring, is beneficial to reducing the fault rate of the system, prolongs the service life of the variable-pitch slip ring and ensures the safe and reliable operation of the variable-pitch system.)

一种风力发电机组变桨滑环的选型方法及装置

技术领域

本发明涉及一种风力发电机组变桨滑环的选型方法及装置，属于风力发电技术领域。

背景技术

风力发电机组变桨系统是整机控制系统的重要组成部分，其结构示意图如图1所示，主要由三个变桨柜及三个变桨电机组成，变桨系统通过变桨滑环接收主控系统下发的桨距角指令，通过变桨执行机构执行相应的变桨。

变桨滑环为连接主控系统与变桨系统的关键部件，直接影响着主控系统与变桨系统的动力及通讯信号传输。据统计，变桨机组变桨故障一般占机组总故障的40％左右，而其中由变桨滑环产生的故障又占其50％左右。因此，变桨滑环的可靠性对机组的稳定性得到至关重要的作用，而变桨滑环的选型是否合理又决定了变桨滑环是否能够可靠工作。变桨滑环的选型主要是考量滑环的额定容量及峰值容量，而现有变桨滑环的选型方式一般根据经验选取，不会考虑影响额定容量及峰值容量的关键因素，计算过程比较粗略，计算结果不够精确，存在选型不准确的现象，影响了变桨系统的安全可靠运行。

发明内容

本发明的目的是提供一种风力发电机组变桨滑环的选型方法及装置，用于解决变桨滑环选型不准确影响变桨系统安全可靠运行的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种风力发电机组变桨滑环的选型方法，步骤如下：

建立风机仿真模型，并按照风机设定运行工况进行仿真，获取风机变桨系统的时序载荷，所述风机变桨系统的时序载荷包括叶根力矩、倾覆力矩、轴向力、径向合力以及变桨过程中加速度；

根据风机变桨系统的时序载荷计算变桨电机的额定驱动扭矩和峰值驱动扭矩；

根据变桨电机的额定驱动扭矩和峰值驱动扭矩以及变桨电机的等效转速分别计算所有变桨电机所消耗的等效额定功率和等效峰值功率；

根据所有变桨电机所消耗的等效额定功率和等效峰值功率，计算变桨滑环侧等效额定电流和峰值电流；并根据变桨滑环侧等效额定电流和峰值电流，选定变桨滑环。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种风力发电机组变桨滑环的选型装置，包括处理器和存储器，所述处理器用于处理存储在所述存储器中的指令，以实现上述的风力发电机组变桨滑环的选型方法。

本发明的有益效果是：通过建立风机仿真模型，并按照风机设定运行工况进行仿真，根据变桨滑环所带负载即整个变桨系统的工作情况，精确计算出变桨滑环侧等效额定电流和峰值电流，进而实现变桨滑环的准确选型，有利于降低系统故障率，延长变桨滑环的使用寿命，保证了变桨系统安全可靠运行。

作为方法和装置的进一步改进，为了准确计算出变桨电机的额定驱动扭矩和峰值驱动扭矩，根据风机变桨系统的时序载荷计算变桨电机的额定驱动扭矩和峰值驱动扭矩的过程为：根据风机变桨系统的倾覆力矩、轴向力和径向合力，计算变桨轴承摩擦力矩；根据变桨轴承摩擦力矩、叶根力矩以及变桨过程中加速度，计算变桨电机的驱动扭矩；根据变桨电机的驱动扭矩计算变桨电机的额定驱动扭矩和峰值驱动扭矩。

作为方法和装置的进一步改进，为了准确获取变桨电机的等效转速，根据风机变桨系统设计的最大变桨速率和变桨系统减速箱传动比，计算变桨电机的等效转速。

作为方法和装置的进一步改进，为了准确获取变桨电机的等效转速，变桨电机的等效转速的计算公式为：

其中，ω_motor为变桨电机的等效转速，β′为风机变桨系统设计的最大变桨速率，i_gbx为变桨系统减速箱传动比。

作为方法和装置的进一步改进，为了准确获取变桨滑环负载的等效额定功率和等效峰值功率，所有变桨电机所消耗的等效额定功率和等效峰值功率的计算公式为：

其中，P_3rate、P_3peak分别为所有变桨电机所消耗的等效额定功率和等效峰值功率，M_{act_rate}、M_{act_max}分别为变桨电机的额定驱动扭矩和峰值驱动扭矩，ω_motor为变桨电机的等效转速。

作为方法和装置的进一步改进，为了准确获取变桨滑环侧等效额定电流和峰值电流以确定变桨滑环的型号，变桨滑环侧等效额定电流和峰值电流的计算公式为：

其中，I_rate、I_peak分别为变桨滑环侧等效额定电流和峰值电流，P_3rate、P_3peak分别为所有变桨电机所消耗的等效额定功率和等效峰值功率，P_loss为变桨传动系统中的损耗，U为滑环侧额定电压，为变桨系统的总的功率因数。

作为方法和装置的进一步改进，为了准确计算出变桨轴承摩擦力矩，变桨轴承摩擦力矩的计算公式为：

其中，M_fric为变桨轴承摩擦力矩，μ为变桨轴承摩擦系数，M_xy为倾覆力矩，F_Z为轴向力，D_L为轴承座圈直径，F_xy为径向合力，M_pre为轴承滚道预紧力。

作为方法和装置的进一步改进，为了准确计算出变桨电机的驱动扭矩，变桨电机的驱动扭矩的计算公式为：

M_act＝(ABS(M_Z)+M_{fric_max}+M_acc)/(i_teeth*η_teeth*i_gbx*η_gbx)

其中，M_act为变桨电机的驱动扭矩，ABS()为求绝对值函数，M_Z为叶根力矩，M_{fric_max}为变桨轴承最大摩擦转矩，M_{fric_max}＝K_max*M_fric，K_max为摩擦力系数，取值范围为1～1.25，M_fric为变桨轴承摩擦力矩，M_acc为变桨轴承惯性力矩，M_acc＝J*α_acc，J为变桨系统等效转动惯量，α_acc为变桨过程中加速度，i_teeth为变桨小齿齿数，η_teeth为变桨小齿传动效率，i_gbx为减速箱传动比，η_gbx为减速箱传动效率。

作为方法和装置的进一步改进，为了准确计算出变桨电机额定驱动扭矩和峰值驱动扭矩，变桨电机的额定驱动扭矩和峰值驱动扭矩的计算公式为：

其中，M_{act_rate}、M_{act_max}分别为变桨电机的额定驱动扭矩和峰值驱动扭矩，RMS为取均方根，M_act为变桨电机的驱动扭矩，max()为求最大值函数，i_teeth为变桨小齿齿数，η_teeth为变桨小齿传动效率，i_gbx为减速箱传动比，η_gbx为减速箱传动效率。

附图说明

图1是现有技术的变桨系统的结构原理图；

图2是本发明的风力发电机组变桨滑环的选型方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

风力发电机组变桨滑环的选型方法实施例：

本实施例提供了一种风力发电机组变桨滑环的选型方法，通过该方法能够选择出合理的变桨滑环，机组安全可靠性高，有利于降低系统故障率、降低风机的制造成本，延长变桨滑环的使用寿命。该风力发电机组变桨滑环的选型方法对应的流程图如图2所示，具体包括以下步骤：

(1)建立风机仿真模型，并按照风机设定运行工况进行仿真，获取风机变桨系统的时序载荷。

其中，本实施例所用的风机模型为可以进行风机受力分析、统计计算的Bladed仿真模型。风机设定运行工况是按照GL规范，即风力发电机业内通用规范设置的，该GL规范非常详细的规定了包括发电、故障、启机、正常停机、紧急停机、空转等9大类共约1400余种风机运行工况，这些工况涵盖了风机运行寿命内可能存在的工况，不区分主次要工况。风机仿真计算时，所有运行工况按照规范一一设置全部计算。

在Bladed软件中设置好风轮、传动、塔筒、发电机等全部风机参数，搭建好风机模型，按GL规定设定好工况，运行软件，提取、统计计算结果(仿真计算是按时间进行的，不同工况设置时间长度不一样)，按需求对计算结果进行分析处理，得到所需时序载荷。获取的风机变桨系统的时序载荷包括叶根力矩M_Z、倾覆力矩M_xy、轴向力F_Z、径向合力F_xy以及变桨过程中加速度α_acc。

(2)根据风机变桨系统的倾覆力矩M_xy、轴向力F_Z和径向合力F_xy，计算变桨轴承摩擦力矩M_fric，对应的计算公式为：

其中，μ为变桨轴承摩擦系数，D_L为轴承座圈直径，F_xy为径向合力，M_pre为轴承滚道预紧力。

(3)根据变桨轴承摩擦力矩M_fric、叶根力矩M_Z以及变桨过程中加速度α_acc，计算变桨电机的驱动扭矩M_act，应的计算公式为：

M_act＝(ABS(M_Z)+M_{fric_max}+M_acc)/(i_teeth*η_teeth*i_gbx*η_gbx)

其中，ABS()为求绝对值函数，M_Z为叶根力矩，M_{fric_max}为变桨轴承最大摩擦转矩，M_{fric_max}＝K_max*M_fric，K_max为摩擦力系数，取值范围为1～1.25，变桨轴承惯性力矩，M_acc＝J*α_acc，J为变桨系统等效转动惯量，i_teeth为变桨小齿齿数，η_teeth为变桨小齿传动效率，i_gbx为减速箱传动比，η_gbx为减速箱传动效率。

(4)根据变桨电机的驱动扭矩M_act，计算变桨电机的额定驱动扭矩M_{act_rate}和峰值驱动扭矩M_{act_max}，对应的计算公式为：

其中，RMS为取均方根，max()为求最大值函数。

(5)根据变桨电机的额定驱动扭矩M_{act_rate}和峰值驱动扭矩M_{act_max}以及变桨电机的等效转速分别计算所有变桨电机所消耗的等效额定功率P_3rate和等效峰值功率P_3peak。

其中，根据风机变桨系统设计的最大变桨速率β′和变桨系统减速箱传动比i_gbx，计算变桨电机的等效转速ω_motor，对应的计算公式为：

此时，所有变桨电机(3个变桨电机)所消耗的等效额定功率P_3rate和等效峰值功率P_3peak的计算公式为：

(6)根据所有变桨电机所消耗的等效额定功率和等效峰值功率，利用交流电三相功率计算方法，考虑损耗、功率因数等因素后，计算变桨滑环侧等效额定电流I_rate和峰值电流I_peak；并根据变桨滑环侧等效额定电流I_rate和峰值电流I_peak，选定变桨滑环。

其中，变桨滑环侧等效额定电流和峰值电流的计算公式为：

上式中，P_loss为变桨传动系统中的损耗，U为滑环侧额定电压，为变桨系统的总的功率因数。

当然，在误差允许的情况下，作为其他的实施方式，在步骤(6)中也可以仅考虑功率因数而不考虑变桨传动系统中的损耗，来获取变桨滑环侧等效额定电流和峰值电流，也就是滑环的额定容量及峰值容量，进而确定变桨滑环的型号。由于根据滑环的额定容量及峰值容量来确定变桨滑环型号的过程属于现有技术，此处不再赘述。

上述的风力发电机组变桨滑环的选型方法原理简单，通过建立风机仿真模型，根据变桨滑环所带负载(整个变桨系统)的工作情况，精确计算出滑环的有效容值，在保证变桨系统安全可靠运行的前提下选择合适、匹配的变桨滑环，有效降低了变桨系统故障情况，降低了风电机组设计成本。

风力发电机组变桨滑环的选型装置实施例：

本实施例提供了一种风力发电机组变桨滑环的选型装置，该装置包括处理器和存储器，处理器用于处理存储在存储器中的指令，以实现上述的风力发电机组变桨滑环的选型方法。对于本领域的技术人员来说，可以根据上述的风力发电机组变桨滑环的选型方法，得到相应的计算机指令，以获取该风力发电机组变桨滑环的选型装置。由于风力发电机组变桨滑环的选型方法已经在上述的风力发电机组变桨滑环的选型方法实施例中进行详细介绍，此处不再赘述。

最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在本发明的权利要求保护范围之内。